Vysoce přesný regulátor teploty: 6 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:22

Ve vědě a ve světě techniky je sledování teploty aka (pohyb atomů v termodynamice) jedním ze základních fyzikálních parametrů, které bychom měli brát v úvahu téměř všude, počínaje buněčnou biologií až po raketové motory na tvrdá paliva a tahy. V počítačích a v podstatě všude, kde jsem zapomněl zmínit. Myšlenka tohoto nástroje byla docela jednoduchá. Při vývoji firmwaru jsem potřeboval testovací nastavení, kde bych mohl otestovat firmware pro chyby namísto našich produktů, které jsou ručně vyrobeny techniky, aby nezpůsobovaly žádné poruchy související s výše uvedeným. Tyto nástroje mají tendenci se zahřívat, a proto je zapotřebí neustálé a přesné monitorování teploty, aby byly všechny části přístroje v provozu, a které je neméně důležité, aby fungovaly skvěle. Použití termistorů NTC k vyřešení úkolu má několik výhod. NTC (negativní teplotní koeficient) jsou speciální termistory, které mění odpor v závislosti na teplotě. Tyto NTC v kombinaci s kalibrační metodou objevenou Stanely Hartem a Johnem Steinhartem, jak je popsána v článku „Deep-Sea Research 1968 vol.15, pp 497-503 Pergamon Press“, je v mém případě nejlepším řešením. Článek pojednává o metodách měření širokého rozsahu teplot (stovky Kelvinů …) s těmito typy zařízení. Pokud chápu, vychází z inženýrského prostředí, čím jednodušší je systém/senzor, tím lépe. Nikdo nechce mít pod vodou něco mimořádně komplikovaného, v kilometrových hloubkách, které mohou způsobovat problémy při měření teploty pouze kvůli jejich složitosti. Pochybuji, že by senzor fungoval podobně, možná bude fungovat termočlánek, ale vyžaduje určité podpůrné obvody a je určen pro případy extrémní přesnosti. Využijme tedy těchto dvou pro návrh chladicího systému, který má několik výzev. Některé z nich jsou: hladina hluku, efektivní vzorkování hodnoty v reálném čase a případně, vše výše uvedené v jednoduchém a praktickém balíčku pro snadnou opravu a údržbu, také náklady na jednotku. Během psaní firmwaru se nastavení stále více vylepšovalo a vylepšovalo. V určitém okamžiku jsem si uvědomil, že by se díky své složitosti mohl také stát samostatným nástrojem.

Krok 1: Kalibrace teploty Steinhart-Hart

Na Wikipedii je pěkný článek, který pomůže vypočítat koeficienty termistoru v závislosti na potřebné teplotě a rozsahu termistoru. Ve většině případů jsou koeficienty super malé a mohly by být v rovnici ve zjednodušené formě zanedbávány.

Steinhart – Hartova rovnice je modelem odporu polovodiče při různých teplotách. Rovnice je:

1 T = A + B ln ⁡ (R) + C [ln ⁡ (R)] 3 { displaystyle {1 / over T} = A + B / ln (R) + C [ln (R)]^{ 3}}

kde:

T { Displaystyle T} je teplota (v Kelvinech) R { Displaystyle R} je odpor při T (v ohmech) A { Displaystyle A}, B { displaystyle B} a C { displaystyle C} Steinhart -Hartovy koeficienty, které se liší v závislosti na typu a modelu termistoru a požadovaném teplotním rozsahu. (Nejobecnější forma aplikované rovnice obsahuje [ln ⁡ (R)] 2 { displaystyle [ln (R)]^{2}}

termín, ale toto je často opomíjeno, protože je obvykle mnohem menší než ostatní koeficienty, a proto není uvedeno výše.)

Vývojáři rovnice:

Rovnice je pojmenována podle Johna S. Steinharta a Stanleyho R. Harta, kteří vztah poprvé publikovali v roce 1968. [1] Profesor Steinhart (1929–2003), člen Americké geofyzikální unie a Americké asociace pro rozvoj vědy, byl v letech 1969 až 1991 členem fakulty University of Wisconsin – Madison [2] Dr. Hart, vedoucí vědecký pracovník oceánografické instituce Woods Hole od roku 1989 a člen Geologické společnosti Ameriky, Americké geofyzikální unie, Geochemické společnosti a Evropské asociace geochemie [3], byl spojen s profesorem Steinhartem v Carnegie Institution Washingtonu, když byla rovnice vyvinuta.

Reference:

John S. Steinhart, Stanley R. Hart, Kalibrační křivky pro termistory, Deep-Sea Research and Oceanographic Abstracts, Volume 15, Issue 4, August 1968, Pages 497-503, ISSN 0011-7471, doi: 10.1016/0011-7471 (68) 90057-0.

„Pamětní usnesení fakulty University of Wisconsin-Madison o úmrtí emeritního profesora Johna S. Steinharta“(PDF). University of Wisconsin. 5. dubna 2004. Archivováno z originálu (PDF) dne 10. června 2010. Citováno 2. července 2015.

"Dr. Stan Hart,". Oceánografická instituce Woods Hole. Citováno 2. července 2015.

Krok 2: Assemby: Materiály a metody

Abychom mohli začít stavět, musíme se poradit s BOM aka (Bill on Materials) a zjistit, jaké části plánujeme použít. Kromě kusovníku by bylo zapotřebí páječky, pár klíčů, šroubováků a horké lepicí pistole. Doporučil bych základní laboratorní nástroje pro elektroniku, které máte vedle sebe pro pohodlí.

1. Prototypovací deska-1
2. LCD displej Hitachi-1
3. Mean Well 240V >> 5Volt napájecí zdroj-1
4. Červená LED-3
5. Modrá LED-3
6. Zelená LED-1
7. Žlutá LED-1
8. Relé OMRON (DPDT nebo podobné 5 V) -3
9. Potenciometr 5KOhm-1
10. Rezistory (470Ohm)-několik
11. BC58 Transistor-3
12. Dioda-3
13. Regulátor nízkého výpadku napětí-3
14. LED diody SMD (zelená, červená) -6
15. Mikroprocesor MSP-430 (Ti 2553 nebo 2452) -2
16. Mechanický spínač Brake-Before-Make (240V 60Hz) -1
17. Rotační kodér-1
18. Plastové držáky Ritchco-2
19. DIP zásuvky pro mikroprocesor MSP -430 -4
20. Elektrický napájecí kabel do zásuvky ve zdi-1
21. Propojovací vodiče (různé barvy) - hodně
22. Sonda NTC aka hodnota termistoru 4k7, EPCOS B57045-5
23. 430BOOST-SENSE1-kapacitní dotykový BoosterPack (Texas Instruments) -1 (volitelně)
24. Chladicí ventilátory (volitelně) pro případ, že je třeba něco ochladit-(1-3) (volitelně)
25. Čistý hliníkový radiátor s 5 vyvrtanými otvory pro sondy NTC-1
26. Plastové desky s vyvrtanými otvory - 2
27. Matice, šrouby a některé šrouby k sestavení konstrukce nosiče-20 (za kus)
28. Zásuvka pro montáž na desku plošných spojů pro montáž na desku 2vodičová verze se šroubem uvnitř-1
29. Sharp® LCD BoosterPack (430BOOST-SHARP96) (volitelně), slouží jako druhý čelní displej-1

Vím, že je to docela velký účet za materiál a může to stát nějaké slušné peníze. V mém případě vše získávám prostřednictvím svého zaměstnavatele. Ale v případě, že chcete, aby to bylo levné, neměli byste zvažovat volitelné součásti. Vše ostatní snadno získáte ve Farnell14, DigiKey a/nebo v některých místních specializovaných obchodech s elektronikou.

Rozhodl jsem se pro řadu mikroprocesorů MSP-430, protože jsem je nechal ležet. Ačkoli lze snadno vybrat „AVR“RISC MCU. Něco jako ATmega168 nebo ATmega644 s technologií Pico-Power. Tuto úlohu zvládne jakýkoli jiný mikroprocesor AVR. Vlastně jsem velký „fanoušek“Atmel AVR. A stojí za zmínku, pokud přicházíte z technického zázemí a jste ochotni udělat nějakou pěknou montáž, nepoužívejte žádnou desku Arduino, pokud jste schopni naprogramovat samostatné AVR, bylo by to mnohem lepší, pokud ne, zkuste naprogramovat CPU a vložte do zařízení.

Krok 3: Montáž: Pájení a stavění v krocích…

Zahájení montáže aka pájení od nejmenších součástek je dobrý začátek. Začněte komponentami smd a kabeláží. Nejprve pájejte Power-Bus, někde, jako jsem to udělal na svém preffboardu, a poté jej prodlužte tak, aby všechny části na preffboardu měly snadný přístup k Power-Bus bez přesměrování nebo komplikací. Použil jsem dráty po celé desce, a to vypadá docela šíleně, ale člověk může později navrhnout správnou desku plošných spojů, jakmile prototyp funguje.

• pájet SMD části (pro indikaci napájení MCU MSP-430, mezi Vcc a GND)
• pájet napájecí sběrnici a kabeláž (vést tak, aby napájel MSP-430)
• pájet všechny druhy zásuvek DIL (za účelem připojení integrovaných obvodů MSP-430 x 2
• pájet nízkonapěťové regulátory napětí s vhodnou podporou (kondenzátory, pro napájení 5 >> 3,3 voltů)
• pájené tranzistory a odpory a diody pro relé a propojení s MCU.
• pájet potenciometr 10k Ohm pro ovládání jasu LCD displeje.
• pájejte LED diody vedle relé, dvoustavový indikátor červená/modrá (modrá = svítí, červená = nesvítí).
• pájte Mean Well 240Volts >> 5voltový napájecí zdroj s jeho konektory.
• Pájejte modrý mechanický spínač (rozpojte před výrobou) vedle napájecího zdroje.

Vše, co zbylo, pájejte. Ze zařízení jsem nevytvořil správné schémata jen kvůli nedostatku času, ale s elektronickým pozadím je to celkem jednoduché. Po dokončení pájení by mělo být vše zkontrolováno, zda je správné připojení, aby se zabránilo jakémukoli zkratu elektrického vedení.

Nyní je čas sestavit konstrukci nosiče. Stejně jako na obrázcích jsem použil 2 x plastové desky s vyvrtanými otvory velikosti M3 (4 x na desku) k protažení dlouhých šroubů a matic a podložek, distanční šrouby a podložky jsou pro takové propojení ideální. Je třeba je utáhnout z obou stran, aby bylo možné držet zelené desky pohromadě.

Prefboard by měl být vložen mezi přední podložky, to znamená, že tyto přední podložky by měly mít velký průměr (až 5 mm), aby bylo možné mezi ně vložit prefabrikát a poté je utáhnout. Pokud je to provedeno správně, deska bude stát na 90 ° pevně. Další možností, jak jej držet na místě, by bylo použití plastových držáků plošných spojů Ritcho namontovaných na těchto distančních šroubech pod úhlem 90 °, což vám pak pomůže přišroubovat plastové díly k distančním šroubům. V tomto okamžiku byste měli mít možnost připojit/připojit prefabrikát.

Po instalaci prefabrikátů přichází na řadu LCD (16x2) displej a měl by být nainstalován. Používám svůj ve 4bitovém režimu, abych šetřil GPIO ^_ ^))))))). Použijte prosím 4bitový režim, jinak nebudete mít dostatek GPIO k dokončení projektu. Podsvícení, Vcc a Gnd jsou připájeny potenciometrem k napájecí sběrnici. Kabely datové sběrnice displeje by měly být připájeny přímo k mikrokontroléru MSP-430. Používejte pouze digitální GPIO. Analogové GPIO, které potřebujeme pro NTC. Existuje 5 x NTC zařízení, takže je to tam těsné.

Krok 4: Dokončení montáže a zapnutí

K instalaci sond/NTC 5 x kusů na chladič je nutné provést vrtání. Prohlédněte si datový list NTC, který jsem přidal jako obrázek pro průměry a hloubku vyvrtaného otvoru. Poté musí být vyvrtaný otvor upraven pomocí nástroje, aby byla akceptována hlava NTC velikosti M3. Použití 5 x NTC je druh průměrování a vyhlazování hardwaru. MSP-430 má ADC s 8bitovým rozlišením, takže s 5 x senzory bude snadné průměrovat výsledky. Nevyhazujeme zde procesory Ghz, takže v našem integrovaném světě jsou všechny hodiny CPU zásadní. Sekundární průměrování bude provedeno ve firmwaru. Každý NTC musí mít nohy a aby mohl číst data přes palubní ADC, musí být vytvořen dělič napětí, který se skládá z R (NTC)+R (def). Port ADC musí být připojen uprostřed těchto dvou. R (def) je druhý odpor, který by měl mít pevnou hodnotu 0,1 % nebo lepší, obvykle v rozsahu s R (NTC). Volitelně můžete přidat zesilovač OP pro zesílení signálu. Připojení k NTC prpbes najdete na obrázku v této části.

Když je pájení dokončeno a bylo zkontrolováno, dalším krokem je instalace mikrokontroléru MSP-430 do jejich DIL zásuvek. Ale předem je třeba je naprogramovat. V tomto kroku je možné zapnout zařízení (bez mikrokontroléru) pro předběžné testy. Pokud je vše správně sestaveno, zařízení by se mělo zapnout a relé by měla být ve vypnutém stavu, což je indikováno červenými LED diodami, a ventilátory by měly běžet a displej by měl být zapnutý, ale bez jakýchkoli dat, pouze modré podsvícení.

Krok 5: Uživatelský vstup, rotační kodér a kapacitní dotykový posilovací balíček

Vždy je příjemné mít vstupní zařízení, pomocí kterého lze do zařízení zadávat data. Magnetický knoflík s permanentními magnety je zde dobrou volbou. Jeho úkolem je zadat prahovou hodnotu teploty pro ventilátory namontované na bloku chladiče. Umožňuje uživateli zadat nový práh pro teplotu prostřednictvím přerušení. Pouhým otočením doleva nebo doprava můžete přidávat nebo odčítat hodnoty v rozmezí (20-100 ° C). Nižší hodnota je určena teplotou okolního prostředí.

Tento knoflík má malý obvod, který přenáší digitální signál do mikrokontroléru. Logika high/low je pak interpretována GPIO pro vstup.

Druhým vstupním zařízením je kapacitní dotykový posilovací balíček Ti. Je možné použít také Booster-pack, ale není možné použít obojí, jen kvůli nedostatku GPIO na cílovém MCU. Balíček Booster vede k mnoha GPIO.

Podle mého názoru je Knob lepší než Booster-Pack. Ale je dobré mít na výběr. Pokud je žádoucí Booster pack, pak je připravena knihovna od Ti, která ji použije. Nebudu se tu rozepisovat o podrobnostech.

Krok 6: Shrnutí: Měření teploty okolí a další nápady ……

Po instalaci MCU po zapnutí vás pozdraví a poté přejde k měření. Firmware nejprve udržuje ventilátory ve vypnutém stavu. Zahájí sérii měření na 5 x NTC sondách, které jsou poté sloučeny do jedné absolutní hodnoty. Poté na základě této prahové hodnoty a porovnání (uživatelských dat) zapne nebo vypne ventilátory (nebo požadovaná zařízení, cokoli jiného) připojená k relé DPDT. Uvažujte, že k těmto 3 x relé můžete připojit cokoli, co je třeba vypnout nebo vypnout. Relé jsou schopna procházet proudem 16 A, ale nemyslím si, že je dobré začít na těchto výstupech používat tak těžké zátěže.

Doufám, že tato „věc“(^_^) …….. hehe bude někomu užitečná. Můj příspěvek k mysli globálního úlu ^^).

Zajímalo by mě, že se to někdo pokusí postavit. Ale pokud ano, rád se vším pomůžu. Firmware mám v CCS a v Energii. Dejte mi prosím vědět, lidi, pokud to potřebujete. Neváhejte mi také napsat o otázkách a návrzích. Zdravím z „slunného“Německa.